(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を積層することにより構成されたモータ用ロータであって、前記鋼板に孔が複数形成されたモータ用ロータにおいて、化学的溶解以外の方法によって前記孔が形成された後、前記孔の端面に化学的溶解が施されたものであることを特徴とする高速モータ用ロータ。
【請求項２】
前記化学的溶解以外の方法は、機械加工・レーザー加工・放電加工のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の高速モータ用ロータ。
【請求項３】
前記孔と前記ロータの外周部との間、もしくは隣り合う孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部の端面にのみ化学的溶解が施されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の高速モータ用ロータ。
【請求項４】
前記孔の一部または全部に磁石が挿入されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高速モータ用ロータ。
【請求項５】
前記鋼板は、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.005％以下、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高速モータ用ロータ。
【請求項６】
前記鋼板は、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.01％以下を含有し、Ca：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％のいずれか1つ以上を含み、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高速モータ用ロータ。
【請求項７】
複数の孔を形成した鋼板を積層することによりロータを作製するモータ用ロータの製造方法であり、化学的溶解以外の方法によって前記鋼板に孔を形成したのち、該孔の端面を化学的に溶解することを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項８】
前記化学的溶解以外の方法は、機械加工・レーザー加工・放電加工のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項９】
前記孔と前記ロータの外周部との間、もしくは隣り合う孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部の端面にのみ化学的溶解を施すことを特徴とする請求項７または８に記載の高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項１０】
前記孔の一部または全部に磁石を挿入することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項１１】
前記鋼板として、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.005％以下、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板を用いることを特徴とする請求項７〜10のいずれかに記載の高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項１２】
前記鋼板として、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.01％以下、Ca：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％のいずれか1つ以上を含み、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板を用いることを特徴とする請求項７〜10のいずれかに記載の高速モータ用ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電気自動車用モータ等に用いられる高速モータ用ロータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車用モータは小型化、高効率化の観点により高周波域での駆動が行われており、このようなモータとしては、高効率化の観点からロータ内部に永久磁石を埋め込んだ内部磁石型モータ（IPMモータ）が多く使用されている。
IPMモータでは、高速回転した場合、ロータに埋め込まれている磁石が大きな遠心力を受けることになり、この遠心力により磁石がロータの径方向に飛び出そうとする力が加わる。さらに、車の加減速にともないモータの回転数が大きく変動するため、応力も常に変動することとなる。このため、ロータには磁気特性以外に疲労特性に優れていることも要望されている。
【０００３】
上記に対して、例えば、特許文献１では、素材面から検討を行い、疲労特性に優れた無方向性電磁鋼板として、重量％で、Ｃ：0.005％以下、Si：4.0％以下、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.2％以下、Ｎ：0.005％以下Al：0.1〜1.0％、Ｓ：0.0009％以下、Ca：0.0005〜0.005％を含有し、残部が実質的にFeからなる電磁鋼板を開示している。
しかしながら、電磁鋼板は打ち抜きによりロータ形状に加工されて使用されるため、端面粗さが大きく、平滑に加工した場合の素材の疲労特性に比べ、実部品では疲労特性が大きく劣る。ゆえに、特許文献１をもってしても充分な疲労特性は得られない。
【０００４】
また、特許文献２には、ロータコアを形成するために用いられる電磁鋼板として、永久磁石を保持するための磁石保持孔が形成され、前記磁石保持孔の内周面の一部には表面粗さが０．２μm以下の部分が形成された電磁鋼板を開示している。
しかしながら、特許文献２では、機械研磨、具体的にはエメリー紙を用いて端面の粗さを低減しているが、疲労強度は十分ではない。
打ち抜き加工における疲労特性を向上させるためには、結晶粒の細粒化が有効である。しかし、細粒化はロータ全体の鉄損を増大させるため電磁鋼板における疲労特性の改善手法としては望ましくない。
【特許文献１】特開平１１−２９３４２６号公報
【特許文献２】特開２００５−２０４４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような現状を受けて、現在、ロータ全体の磁気特性を劣化させることなく疲労特性を改善する手法が望まれている。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、疲労特性に優れた高速モータ用ロータおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に対して本発明者らが鋭意検討した結果、ロータ形状に加工後に遠心力に起因した応力が集中するロータのブリッジ部に着目し、このブリッジ部の端面を化学的に溶解することにより疲労強度が向上することを見出した。
【０００７】
本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］鋼板を積層することにより構成されたモータ用ロータであって、前記鋼板に孔が複数形成されたモータ用ロータにおいて、前記孔は化学的溶解によって形成されたものであることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［２］鋼板を積層することにより構成されたモータ用ロータであって、前記鋼板に孔が複数形成されたモータ用ロータにおいて、前記孔が形成された後、前記孔の端面に化学的溶解が施されたものであることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［３］前記［２］において、前記孔と前記ロータの外周部との間、もしくは隣り合う孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部の端面にのみ化学的溶解が施されたものであることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［４］前記［１］〜［３］のいずれかにおいて、前記孔の一部または全部に磁石が挿入されたものであることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかにおいて、前記鋼板は、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.005％以下、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［６］前記［１］〜［４］のいずれかにおいて、前記鋼板は、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.01％以下を含有し、Ca：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％のいずれか1つ以上を含み、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［７］複数の孔を形成した鋼板を積層することによりロータを作製するモータ用ロータの製造方法であり、前記孔を化学的に溶解して形成することを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［８］複数の孔を形成した鋼板を積層することによりロータを作製するモータ用ロータの製造方法であり、前記鋼板に孔を形成したのち、該孔の端面を化学的に溶解することを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［９］前記［８］において、前記孔と前記ロータの外周部との間、もしくは隣り合う孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部の端面にのみ化学的溶解を施すことを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［１０］前記［７］〜［９］のいずれかにおいて、前記孔の一部または全部に磁石を挿入することを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［１１］前記［７］〜［１０］のいずれかにおいて、前記鋼板として、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.005％以下、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板を用いることを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［１２］前記［７］〜［１０］のいずれかにおいて、前記鋼板として、質量％で、Si：7％以下、Al:3％以下、Mn：0.05〜3％、S:0.01％以下、Ca：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％のいずれか1つ以上を含み、残部鉄および不可避不純物からなる無方向性電磁鋼板を用いることを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
なお、本明細書において、鋼の成分を示す％は、すべて質量％である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、磁気特性が劣化することなく、疲労特性に優れた高速モータ用ロータが得られる。そして、疲労特性が改善されることでモータの高効率化が可能となり、産業上有益な発明といえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
まず、本発明における高速モータ用ロータとは、繰り返し遠心力が付与されるロータであり、素材として鋼板を用い、例えば、その鋼板を所定の形状に打ち抜き加工することにより得られる。そして、内部には、高効率化の観点から、例えば、複数の永久磁石が埋め込まれている。その際、図１に示すようなロータの場合、隣り合う孔（磁石挿入孔）との間に形成されるブリッジ部（Ａ部）において、磁石に生じる遠心力に起因する応力が大きくなる。このような部分では、繰り返し付与される遠心力により、局所的な繰り返し応力を受け、疲労破壊へと至りやすくなる。
本発明においては、上記モータ用ロータを構成する鋼板について、孔の加工（例えば機械加工・レーザー加工・放電加工等の、化学的溶解以外の方法による加工）後に、その端面を化学的に溶解することを特徴とする。特にロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が集中するブリッジ部の端面を化学的に溶解することが重要である。これは本発明において最も重要な要件であり、このように孔の端面、特に前記ブリッジ部の端面を溶解することにより、磁気特性が劣化することなく疲労特性に優れた高速モータ用ロータが得られることになる。なお、本発明において、磁石に生ずる遠心力に起因した応力が集中するブリッジ部の端面について、前記図１のようにブリッジ部端面が遠心力により生ずる応力方向と略並行な場合は、少なくともブリッジ端面全体について、前記化学的溶解を行うこととし、ブリッジ端面が遠心力により生ずる応力方向と並行ではない場合、応力が最も高くなるブリッジ部の端面位置から、少なくとも最大応力の0.7倍となる部分の端面位置までについて、前記化学的溶解を行うものとする。
一方、磁石を使用しないモータにおいてもモータ特性の向上もしくはロータの冷却等の理由で設けた孔のブリッジ部に遠心力に起因する応力が作用する場合にも少なくとも上記磁石を挿入する場合と同様に遠心力に起因した応力が集中する部分の化学的溶解を行うものとする。
さらに、ロータ全体を化学的溶解で加工した場合や、孔の加工後にその端面全体を化学的溶解した場合には前記ブリッジ部も含まれることとなるため本発明の効果が得られることとなる。
【００１０】
以下、本発明を実験結果に基づいて詳細に説明する。
まず、図1に示すようなロータをクリアランス5％の金型にて打ち抜き作製した。コア材料としては、3％Si、1％Al、0.5％Mn、0.002％Sを含有する板厚0.20mmの電磁鋼板を用いた。本ロータにおいては、ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因する応力は磁石を分割した中央部のブリッジ部（図1中A部、板幅1.5mm）で最も大きくなる。そこでAの部分より図2に示す形状の疲労試験片を切り出し、打ち抜きままと、板厚方向に機械研磨を行った2種の材料に対して疲労試験を行った。ここで機械研磨を板厚方向に行ったのはロータ加工後に研磨を行う場合、板厚方向に研磨することが容易なためである。また、疲労試験は引張り-引張り、応力比0.1、周波数20Hzにて行い、107回の繰り返しにおいても破断が生じない最大応力を疲労限とした。得られた結果を表1に示す。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表1より、機械研磨を行うことにより疲労限が向上することがわかる。これは、機械研磨によりロータ端面の表面粗さが小さくなり、応力集中が低下したためと考えられる。
そこで、次に、疲労強度をさらに向上させるため、上記と同様のコア材料を用いて、上記と同様に作成したロータのAの部分より図2に示す形状の疲労試験片を切り出し、A部の打ち抜き端面に塩化第二鉄水溶液(45ボーメ、液温45℃)を10ｓ間スプレー（化学的溶解）した。上記と同様の方法にて疲労試験を行ったところ、表1に示す通り、その疲労限は430MPaと機械研磨を行った材料よりも向上することが明らかとなった。そして、表面粗さを小さくすると、疲労寿命が長くなるものの、特許文献２の表面粗さRaが０．２μm以下では、疲労寿命は延びないこともわかった。
上記化学的溶解を行った材料の端面を観察したところ打ち抜きの破断面に存在した非常に微細な凹凸が溶解除去されていることが明らかとなった。そして、この微細な凹凸の消失が疲労限の向上につながったものと推定される。一方、特許文献２のような機械研磨ではこのような微細な凹凸は除去できず、疲労限が頭打ちになったと考えられる。
【００１３】
次に、ロータ素材の影響を調査するため、Si=3％、Al=1％、Sを0.001〜0.01％まで変化させた無方向性電磁鋼板を熱間圧延後、1000℃×30ｓ間の熱延板焼鈍を施し、酸洗後、板厚0.20ｍｍまで冷間圧延を行い、900℃×10ｓ間の仕上げ焼鈍を施した。次いで、得られた材料より図2に示す形状の疲労試験片を切り出し、打ち抜き端面に塩化第二鉄水溶液(45ボーメ、液温45℃)を10ｓ間スプレー（化学的溶解）した材料を作製し疲労試験を行った。試験方法は上記と同様である。
図3に、得られた結果として、素材のS量と化学的溶解による疲労限との関係を示す。これより、S量が50ppm以下で塩化第二鉄水溶液吹き付け（化学的溶解）による疲労限が高くなることがわかる。この原因について調査するため、端面を観察したところ、Sが50ppm超の材料では多くのピットが認められた。このピットが応力集中源となるためSの高い材料では疲労限が低下したものと考えられる。さらに、このようなピットができた原因について調査したところ、SがMnSとして析出し、このMnSが塩化第二鉄により溶解したことによりピットが生成したことが判明した。
次にMnSの溶解防止の目的で、硫化物の組成を変更することについて検討するため、Si=2.8％、Al=1.2%、Mn=0.3％、S=0.003％の鋼を用い、Mgをｔｒ.〜0.006％まで添加した鋼を溶製し、熱間圧延後、1000℃×30ｓ間の熱延板焼鈍を施し、酸洗後、板厚0.20ｍｍまで冷間圧延を行い、950℃×10ｓ間の仕上げ焼鈍を施した。次いで、得られた材料より図2に示す形状の疲労試験片を切り出し、打ち抜き端面に塩化第二鉄水溶液(45ボーメ、液温45℃)を10ｓ間スプレーした材料を作製し疲労試験を行った。試験方法は上記と同様である。
【００１４】
図4に、得られた結果として、Mg量と化学的溶解による疲労限との関係を示す。これよりMgが0.0002％以上で疲労限が向上することがわかる。これはMg添加により硫化物の溶解が抑制され、ピットが形成されにくくなったためと考えられる。なお、Mgを0.005％以上添加しても効果が飽和しており、いたずらにコストアップを招くため、上限は0.005％が好ましい。同様な効果はCa添加においても確認された。
以上より、ロータ素材の素材としては、S:0.005％以下であることが好ましい。また、Ca：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％のいずれか1つ以上を含むことが好ましい。
【００１５】
なお、本発明において、孔を形成する際の化学的溶解、もしくは孔の端面やそのブリッジ部の端面に施す化学的溶解の方法は特に限定しない。例えば、塩化第二鉄、塩酸、硝酸や市販の化学研磨液等を使用することができる。また、化学的な溶解は打ち抜き後やレーザー加工後に溶液を端面にスプレーすることにより可能である。さらに、塩化第二鉄を素材に直接スプレーすることによりロータを加工しても構わない。
【００１６】
また、本発明で使用するロータ用材料としては、Si：7％以下、Al：3％以下、Mn：0.05〜3％の電磁鋼板が望ましい。Ｓｉは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、7％を超えると磁束密度が低下し、モータのトルク低下につながるため上限を7％とする。
Ａｌも鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、3％を超えると磁束密度が低下し、モータのトルク低下につながるため上限を3％とする。
Mnは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために有用な元素であるため0.05％以上添加するが3％を超えると磁束密度が低下するため上限を3％とする。
さらに、上述したように、Sは0.005％以下が好ましい。また、CaもしくはMgのいずれか一つ以上を添加する場合は、その添加量はCa：0.0002〜0.005、Mg：0.0002〜0.005％であることが好ましく、この場合は、MnSの生成が抑制できピットが形成されにくくなることから、SはS:0.01％以下まで許容される。
【００１７】
また、本発明は永久磁石を埋め込んだＩＰＭモータ以外に、ロータのブリッジ部が1mm程度と非常に狭くなるシンクロナスリラクタンスモータのロータ等にも適用可能である。
【実施例１】
【００１８】
転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより表2に示す所定の成分に調整した鋼を鋳造し、板厚2.3mmまで熱間圧延を行った。次にこの熱延板に1000℃×10ｓの熱延板焼鈍を施し、酸洗後、0.20mmまで冷間圧延を行い20％Ｈ2-80％Ｎ2雰囲気にて900℃×10ｓ間の仕上焼鈍後を行った。
以上により得られた材料を素材として、図1に示すロータの形状に打ち抜き、引き続き機械加工、塩化第二鉄吹き付けを10ｓ間行った。また、鋼板表面にレジストを塗布し、図1に示すロータが化学的溶解法により加工できるように、図1の形状のレジストの外側に20μmの幅のパターンを真空密着し、露光、現像後20μmの幅を溶解し、塩化第二鉄水溶液（45ボーメ、液温45℃）によるスプレーエッチングを行うことにより、ロータ加工を行った材料も作製した。
その後、得られたロータのA部より疲労試験片を切り出し、引張り-引張り、応力比0.1、周波数20Hzにて疲労試験を行い繰り返し数107回の最大応力を疲労限とした。この疲労限により、各素材を積層して得られるモータの疲労強度を評価した。
得られた結果を成分、製造条件と併せて表2に示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
表2より、本発明例では、疲労限が高く、これらの方法により孔を形成した鋼板を積層して得られたモータも疲労強度が高いものとなる。一方、比較例では、疲労限が低く、これらの方法により孔を形成した鋼板を積層しても疲労強度に優れたモータは得られない。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の高速モータ用ロータを用いることにより、高効率化がはかれるため、電気自動車用モータ、燃料電池自動車モータを中心に、多様な用途での使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態であるロータの形状を示す正面図である。
【図２】ブリッジ部より切り出した疲労試験片の断面図である。
【図３】S量と疲労限との関係を示す図である。
【図４】Mg量と疲労限との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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